气候变暖将影响东北地区的径流

过去25年来，东北地区极端降水量增幅居全国之首。先前的研究表明，在过去 25 年中，极端降水量(每天降雨或下雪造成一到两英寸的水)比 1901 年至 1995 年增加了近 50%。

达特茅斯学院的一项新研究深入了解了全球变暖导致的降水量和温度变化如何影响东北部的水流和洪水。调查结果发表在水资源协会杂志上。

研究人员研究了降水，包括降雪、冬季降雪事件、春季融雪和土壤条件如何影响水流。他们专注于东北部的四个分水岭：缅因州东北部的 Mattawamkeag 河;新罕布什尔州北部的死钻石河;佛蒙特州东部的怀特河;和西弗吉尼亚州的雪兰多河。

北部三个流域的径流受融雪影响强烈，而雪兰多河流域受降雨影响更大。选择所有四个流域是因为它们是不受管制的河流，这意味着水流不受大坝控制，并且跨越一系列纬度。

对于研究的第一部分，该团队根据水流与以下因素之间的历史关系创建了一个机器学习模型，这些因素包括：温度;降水(降雨与降雪);“前期降水指数”或暴风雨前土壤中储存了多少水分;“标准化降水指数”，用于表征干湿期;和流量。

他们利用了从 1915 年到 2011 年超过 95 年的历史气候数据，以及地质调查局的流量数据和东北地区气候中心的积雪深度观测数据。

“前期降水指数和标准化降水指数基本上都是衡量地表已经湿润程度的指标，这会影响径流和径流，”第一作者、Guarini '21 的 Charlotte Cockburn 说，他是达特茅斯大学地球科学专业的硕士生在研究的时候。

“如果你在相对干燥的表面上遇到了一场真正的大暴雨，那么很多水就会被土壤吸收，但如果你有多次暴雨导致真正的大暴雨，那么土壤中就没有水的空间了，这会产生更高的流量。”

Cockburn 指出，这就是 2011 年 8 月发生的事情，当时在新英格兰大部分地区被称为热带风暴艾琳的飓风艾琳造成了毁灭性的洪水、多人死亡和数十亿美元的损失。

为了预测 11 月至 5 月寒冷季节的流量，该团队使用平均气温、三天和 30 天的降雨量以及三天和 30 天的降雪量作为模型中的变量。他们创建了一个子模型来模拟融雪。该模型将查看特定日期，例如 2009 年 4 月 1 日，然后根据模型变量预测流量。

“就背景而言，东北流域的最高流量往往发生在春季，实际上就在现在左右，此时有融雪、比冬季更大的降雨事件、没有植被将水从土壤中吸出，并且当土壤要么是饱和的，要么是冻结的，”资深作者、达特茅斯学院地理学副教授乔纳森·温特 (Jonathan Winter)说。

正如研究人员在研究中解释的那样，该模型的难题之一是它基于历史数据，并经过训练以依赖积雪作为预测寒冷季节流量的重要驱动因素。

因此，当模型运行到由于全球变暖导致积雪减少的未来日期时，它预测流量会减少。但正如 Cockburn 解释的那样，“这些模型并没有准确地捕捉到冬季流量变化的动态，因为它们是根据过去和在一个因气候变化而变暖的世界中进行训练的，我们预计降雨将成为更重要的驱动力冬天的溪流。”

对于研究的第二部分，该团队将机器学习模型与 2070 年至 2099 年的气候预测结合起来，以了解未来气候中的流量会发生什么变化。

主要发现是：

在流域和季节中，三天降水量和初始土壤水分是决定东北地区径流量的最重要变量。

30 天的融雪和 30 天的降雨对 Mattawamkeag 河的径流很重要，因为该流域既是最大的也是最北部的，这使得它对短期极端降水事件不那么敏感，而对雪更敏感。

未来寒冷季节的流量取决于新英格兰流域如何应对从更多降雪为主的冬季到更多降雨为主的冬季的变化。

未来暖季径流量几乎完全取决于降雨量的变化。

温特说：“如果东北部变得更湿润的土壤和更多的强降雨事件，正如气候模型所预测的那样，东北部将增加流量和更高的洪水风险。”

去年冬天，由于气温比平均温度高出 4 华氏度以上，东北部的积雪量低于正常水平。

“我们刚刚度过的冬天是我们未来要经常经历的。这是对即将发生的事情的一瞥，”温特说。“然而，我们的分析令人惊讶地表明，与溪流对降水的敏感程度相比，在东北部，雪的影响相对较小。”

Winter 说：“随着气候变化，了解水流如何在更温暖和更潮湿的气候中发生变化非常重要，因为这些动态对洪水、生态系统、水资源和水电有影响。”

地球科学副教授Erich Osterberg和 Frank J. Reagan '09 政策研究主席兼达特茅斯大学地理学教授Frank Magilligan也是该研究的合著者。